60Si2CrVA圆柱弹簧断裂失效的原因分析

对某电梯锁紧用60Si2CrVA圆柱弹簧在安装调试过程中出现的失效断裂,结合弹簧制造的生产过程,采用原子吸收光谱、断口电镜扫描、金相检验等方法对失效断口进行了详细分析,发现可能导致该弹簧失效的几种缺陷:原材料化学成分不均匀、内部结构存在缩松、缩孔以及热处理工艺不当等,并分析这些缺陷对弹簧性能及弹簧失效造成的影响.

60Si2CrVAT钢弹簧疲劳试验断裂的原因

60Si2CrVAT钢弹簧疲劳试验时断裂。对断裂的弹簧进行了断口分析、金相检测、硬度检测和非金属夹杂物检测。结果表明:弹簧的硬度和非金属夹杂物含量均符合要求,但有因热处理工艺不当而产生的两种显微组织,即回火托氏体加少量铁素体和保持淬火马氏体位向的回火托氏体,导致其疲劳性能较差而断裂。

粗规格60Si2Mn弹簧钢丝的预冷淬火

为了降低水淬开裂倾向,采用钢丝感应淬火-回火生产线对ϕ6.8 mm的60Si2Mn弹簧钢丝进行了910℃保温3 s,随后通过控制其线速度冷却至不同温度后水淬和520℃回火。采用金相显微镜、扫描电子显微镜、万能拉伸试验机和显微硬度计研究了淬火、回火后钢丝的显微组织、硬度和拉伸性能。结果表明:线速度为5 m/min时,钢丝的冷却时间为40.0 s,淬火、回火后其显微组织为珠光体、铁素体和少量回火托氏体;线速度为15~20 m/min时,冷却时间为13.3~10.0 s,淬火、回火后钢丝的显微组织为回火托氏体和少量残留奥氏体;随着线速度的降低,钢丝的冷却时间延长,淬火温度降低,抗拉强度从1 715 MPa降至1 318 MPa,硬度从526~532 HV0.1降至364~425 HV0.1。

抛丸工艺对60Si2Mn热轧弹簧钢表面残余应力的影响

采用不同抛丸时间、抛丸电流的抛丸工艺对高速铁路扣件用弹条原材料(60Si2Mn热轧弹簧钢)进行抛丸,弹丸为粒径0.6~0.7 mm的S230铸钢丸,并通过X射线应力测定仪测量60Si2Mn热轧弹簧钢表面残余应力。结果表明:经不同抛丸工艺处理后,热轧弹簧钢表面残余应力均为压应力;在抛丸电流相同抛丸时间减小、抛丸时间相同抛丸电流减小两种情况下,残余应力场特征参数(最大残余应力、最大残余应力对应的深度和残余应力影响深度)和半高宽(层深相同时)均减小,抛丸效果变差;抛丸覆盖率100%、抛丸时间16 s、抛丸电流50 A时,残余应力场特征参数和半高宽最大,抛丸效果最好。

60Si2Mn弹簧扁钢剪切崩料分析

60Si2Mn弹簧扁钢在剪切加工过程中角部崩料。对A钢厂出现角部崩料的扁钢与B钢厂未出现崩料的扁钢进行理化检验并对比分析。A钢厂试样的化学成分、脱碳层、金相组织、夹杂物、低倍检验结果均优于B钢厂试样,力学性能相差不大,A钢厂试样硬度高于B钢厂试样。扫描电镜观察断口发现,B钢厂试样虽然没有明显崩料,但角部位置存在撕痕,已出现崩料趋势。结果表明:用户使用的大规格扁钢所需的剪切力已达到冷剪机极限,导致了剪切崩料现象的发生。建议更换下料方式,采用锯切下料,以保证剪切质量。

60Si2MnA钢弹簧疲劳断裂原因分析

采用直径为4 mm、经油淬和回火的盘条制作的60Si2MnA钢弹簧,在疲劳试验早期断裂。检测了盘条的化学成分和拉伸性能,并对断裂的弹簧进行了断口分析和金相检验。结果表明:盘条的化学成分和拉伸性能均符合要求,但弹簧表面有细微裂纹、机械损伤和脱碳层等缺陷以及马氏体,导致疲劳性能降低从而在疲劳试验时过早断裂。

60Si2CrVA高强度弹簧钢的超高周疲劳破坏行为

进行超声波疲劳和疲劳裂纹扩展速率实验,研究了3种60Si2CrVA弹簧钢的超高周疲劳破坏行为.结果表明,60Si2CrVA弹簧钢的超高周疲劳性能主要与其中夹杂物的尺寸有关,即随着夹杂物尺寸的减小,钢的疲劳寿命和疲劳强度均逐渐提高.对于内部夹杂物引起的疲劳破坏,在低应力幅、高循环周次(约大于10~6 cyc)条件下,在夹杂物周围的鱼眼处往往存在粗糙的粒状区域(GBF).对于A-60钢,随着疲劳源夹杂物处应力场强度因子幅的减小,疲劳寿命增加;而GBF处的应力场强度因子幅并不随疲劳寿命变化而变化,基本为一常数(平均值为4.6 MPa·m^(1/2)),与疲劳裂纹扩展门槛值(4.3 MPa·m^(1/2))接近.

提速列车用弹簧钢60Si2CrVAT的热处理工艺优化

分析制定了60Si2CrVAT弹簧钢合理的热处理制度,利用正交实验极差分析的方法并结合金相及回火后析出相的分析,研究了热处理工艺参数对60Si2CrVAT弹簧钢力学性能的影响,确定了其最佳热处理工艺。结果表明,回火温度和回火时间对强度的影响较大,回火温度和淬火保温时间对塑性影响较大,60Si2CrVAT弹簧钢最佳热处理工艺为:(900℃+25 min)油淬+(400℃+40 min)回火,水冷。

60Si2CrVA弹簧钢断口及断裂原因分析

60Si2Cr VA弹簧在服役状况下,运行寿命不到设计寿命的1/3,发生了断裂。为了分析弹簧的断口和断裂原因,根据该弹簧钢的制造和服役状况,对断口宏观形貌、SEM照片进行了分析;并对弹簧钢的应力分布、化学成分、组织和硬度进行了分析。发现了弹簧断裂为疲劳断裂,其失效起源于表面缺陷和最大切应力的共同作用,且弹簧内部组织有石墨化现象,硬度高,韧性降低,导致了整个工件的断裂。提出了该弹簧在加工过程、检测过程及热处理过程中的一些改进的措施。

热处理对60Si2CrVAT弹簧钢组织和力学性能的影响

试验了890～930℃淬火、400～440℃回火时淬-回火温度对160mm×160mm连铸坯轧成的Φ21mm 60Si2CrVAT弹簧钢组织和力学性能的影响。结果表明,910℃淬火.回火后的60Si2CrVAT钢抗拉强度高于890℃和930℃淬火-回火钢的抗拉强度,不同淬火温度下钢的抗拉强度随回火温度升高而降低。分析了拉伸断口的组织形貌。

表面状态对60Si2CrVAT弹簧钢疲劳性能的影响

对表面脱碳与喷丸状态不同的60Si2CrVAT弹簧钢进行了疲劳性能对比试验,结果表明:860℃-50 min加热,试样表层形成约0.1 mm的脱碳层,但未观察到对疲劳寿命产生明显影响;适度喷丸在试样表层形成压应力使疲劳寿命大大提高;过度喷丸虽使表面粗糙度减小,但使表层材料受到损伤,因此疲劳寿命平均值降低.

PAG淬火介质对60Si2CrVAT弹簧钢力学性能的影响

60Si2Cr VAT弹簧钢分别采用不同浓度PAG淬火介质和淬火油进行淬火,并在440℃和480℃的温度下进行回火处理,利用透射电镜和拉伸试验机等方法研究了该弹簧钢在不同淬火介质中淬火回火后的微观结构和力学性能的变化。结果表明,PAG淬火介质对其强度和塑性的影响显著。随着PAG浓度的增加,冷却速度降低,马氏体板条数量减少,板条宽度变大,强度和塑性呈现先增后降的趋势;冷速最快的5%PAG淬火回火后,针状的ε-碳化物未完全分解,容易在其尖端引起应力集中,使得力学性能较低;冷速最慢的油淬回火后,由于碳化物沿原奥氏体晶界和马氏体板条界析出,固溶度的下降,马氏体板条宽度的变大及数量的减少,最终也使得其强度、塑性和冲击韧性降低;只有冷速适中的13%PAG淬火后得到的综合力学性能最佳。

60Si2CrVAT弹簧钢高温拉伸变形行为研究

在DIL805A/T热模拟机上对60Si2CrVAT弹簧钢进行了等温单向热拉伸实验,研究了该弹簧钢在温度900~1050℃、应变速率0.001~1s-1条件下的高温变形及动态再结晶行为。使用包含变形激活能Q和温度T的双曲正弦形式修正的Arrhenius关系来描述60Si2CrVAT弹簧钢高温拉伸变形时的最大变形抗力方程;在此基础上,引入参数α(ε)、n(ε)、Q(ε)和A(ε)得到包含σ、ε、T、ε的本构方程。结果表明,由本构方程计算得到的应力值和实验值有较好相关性(R^2=0.98985),平均相对误差绝对值为3.6646%;最后采用加工硬化率法通过对θ-σ和lnθ-ε曲线进行三次多项式拟求解拐点的方法,得到了不同变形条件下发生动态再结晶的临界应力和临界应变值,建立了临界应力、临界应变和Z参数的关系,得到了动态再结晶的临界应力和临界应变方程。

等温淬火回火温度对60Si2CrVAT弹簧钢显微组织的影响

在钢的材质和热处理时间一定的条件下,利用金相显微镜观察分析了860、910、960℃等温淬火与420、470、520℃回火热处理工艺对60Si2CrVAT弹簧钢显微组织的影响。结果表明,随等温淬火温度的升高,实验钢的未溶碳化物减少,残余奥氏体含量增加,得到的组织为上、下贝氏体,残余奥氏体和少量马氏体;960℃淬火晶粒明显粗大。随着回火温度的升高,实验钢的显微组织由粗大的贝氏体、残余奥氏体逐渐向回火屈氏体、索氏体转变。热处理工艺为910℃×30 min加热+300℃×30 min熔盐中等温+420℃×40 min回火油冷,其综合组织形貌最佳。

60Si2CrVAT弹簧疲劳断裂原因分析

通过实验样品,分析了60Si2Cr VAT弹簧疲劳断裂的原因。结果表明,表面凹坑、表面硌伤、组织异常是导致弹簧样品断裂的主要原因。样品中,表面硌伤所占比例较大,硌伤产生的主要原因为弹簧在支撑圈打磨过程中,打磨质量较差,导致疲劳试验过程中支撑圈和工作圈产生点接触;随疲劳试验的进行,点接触位置逐渐产生硌伤而引起应力集中。

优质弹簧钢60Si2CrVAT控轧控冷工艺的热模拟研究

用Gleeble-1500热模拟实验机测定了优质弹簧钢60Si2CrVAT的CCT曲线,并用光学显微镜和透射电镜研究了不同的终轧温度、冷却速度下的组织和相变。结果表明,冷速为1℃/s时,弹簧钢60Si2CrVAT中的珠光体含量约为98%;随着冷速的增加,铁素体和珠光体的含量逐渐减小,贝氏体和马氏体含量逐渐增加;当冷速达到9℃/s时,基体全部为马氏体;终轧温度850℃、冷速为1℃/s时,弹簧钢60Si2CrVAT的索氏体含量达到90%,强塑性最好,即R_m 1301 MPa,R_(p0.2) 928 MPa,A 23.8%,Z 38.6%。

60Si2CrVAT弹簧钢生产试制

采用80tLD+LF+VD+(250mm*280mm)CC生产提速铁路车辆用弹簧钢60Si2CrVAT的工艺实践表明,钢的清洁度为[O]6×10-6,[S]0.003%,[P]0.010%,,非金属夹杂≤0.5级,力学性能符合标准要求。

60Si2CrVA弹簧立定断裂分析

通过宏观检验、化学成分分析、金相检验、硬度测试、断口及能谱分析等方法对弹簧强压立定时发生断裂的原因进行了分析。结果表明:弹簧近表面存在条带状偏析,且其上分布着数量较多的非金属夹杂物,在淬火时诱发内裂纹,导致弹簧在强压立定过程中发生断裂。

高强度弹簧钢60Si2CrVAT热处理工艺优化试验

用DIL850L相变仪φ4mm×10mm小试样模拟φ26mm 60Si2CrVAT钢(/%:0.60C、0.63Mn、1.50Si、1.08Cr、0.14V)870～950℃淬火试验。结果表明,随淬火温度提高,钢残余碳化物减少,950℃淬火晶粒长大明显,择优选取910℃为淬火温度。生产检验条件下,采用910℃40 min淬火,420℃90 min回火,可获得较佳的综合力学性能-即抗拉强度(R_m)1940 MPa,屈服强度(R_(p0.2))1 740 MPa,伸长率(A_5)9.5%,断面收缩率(Z)36.5%。

铁路货车60Si2CrVAT钢弹簧疲劳试验断裂分析和工艺改进

φ16 mm 60Si2CrVAT弹簧钢（/%：0.58C,1.76Si,0.66Mn,0.010P,0.005S,1.15Cr,0.15V）生产流程为转炉-LF-VD.220 mm×300 mm连铸-轧制-退火工艺。弹簧制造主要工艺为冲床下料-中频感应加热-热卷簧-余热淬火（890~870℃,油冷）-530℃电阻炉回火-打磨-抛丸-预压缩。分析了φ16 mm K6弹簧在疲劳试验过程62万次发生断裂（标准要求≥300万次）的原因。结果表明,弹簧支撑圈与工作圈之间在点接触产生的硌伤而导致应力集中是弹簧早期疲劳断裂的主要原因,同时弹簧局部存在异常下贝氏体也对弹簧疲劳寿命产生了不良影响。通过改进制簧工艺,包括保证支撑圈几何尺寸和弹簧淬火温度,防止弹簧疲劳试验时发生局部点接触等措施,使60Si2CrVAT钢弹簧的疲劳试验寿命≥300万次。